一、概 述

    汽輪機數字電液控制系統（DEH），分高壓抗燃油純電調和低壓透平油純電調兩大類。
    高壓抗燃油純電調是隨著引進西屋汽輪機制造技術而進入我國，因而廣為人知。高壓抗燃油純電調DEH，克服了傳統液壓調節系統存在的缺陷，能采用靈活的控制策略以適應多種運行工況自動化控制的要求，為適應機爐協調控制（CCS）和自動發電控制（AGC）打下基礎。由于高壓抗燃油純電調具有上述特點，因而被廣泛應用于300MW以上大型機組的控制系統。近年來，高壓抗燃油純電調技術又被推廣到200MW機組的調節系統改造，收到較好效果。
    但是，高壓抗燃油純電調也存在一些先天不足，影響到它的進一步推廣。主要不足之處如下：

 ■ 系統結構復雜，制造成本高。
 ■ 對油質清潔度要求很高，油品需要不斷再生，運行維護費用高。
 ■ 電液伺服閥容易卡澀，需要常備備件，增加了運行成本。
 ■ 需配備外置式液壓油源，不但增加了設備費用和運行維護費用，而且安全性不如透平油液壓油源。透平油液壓系統與潤滑系統共用油源，主油泵由主軸驅動，只要汽輪機在轉，就不會有失壓問題。
 ■ 抗燃油有毒性，長期大量使用抗燃油將為環境保護所不容。

    上述不足之處，在125MW、100MW等中小容量機組的自動化改造上反映尤為突出。隨著電網容量的增大，這些機組逐漸進入調峰運行，協調控制和AGC控制的要求提到日程，而昂貴的高壓抗燃油純電調是這些機組用戶難以接受的，因此，有必要開發經濟適用的低壓透平油純電調，以適應用戶的需求。其實，電調功能的發揮，并不在于采用高壓或低壓，只要設計得當，兩類系統都能達到同樣的自動化水平。
    我國曾經引進過多臺日立機組，例如首陽山300MW機組，其控制系統就是采用低壓透平油純電調，用比較經濟可靠的辦法，完全達到了高壓抗燃油純電調的控制水平，用戶反映十分滿意。低壓透平油純電調技術的應用，可使制造成本和運行維護費用大大降低。用于老機組改造時，所保留的油動機和液壓油源是汽輪機原有的液壓調節系統中故障率最低的部分，因此，改為純電調后，控制系統的可靠性大大提高，并取得了可觀的經濟效益。
    低壓透平油純電調的應用，關鍵在于電液轉換難題的解決。和利時公司成功地應用了MOOG公司新近推出的直接驅動式電液伺服閥，即DDV閥，圓滿地解決了電液轉換的難題，為低壓透平油純電調的開發和應用開辟了廣闊的前景。這種伺服閥的控制精度和動態響應特性均與MOOG閥相當，抗污染能力和可靠性遠高于MOOG閥，能適應透平油系統的一般清潔度水平。迄今為止，和利時應用的DDV閥已超過200套，裝備了超過100套DEH；其中60%用于低壓透平油系統，40%用于高壓抗燃油系統，卡澀的例子一套也沒再發生過。
    DDV閥的應用，不但解決了低壓透平油純電調電液轉換問題，同時解決了高壓抗燃油純電調伺服閥卡澀問題，為DEH事業的發展作出了重要貢獻。

二、純電調的基本概念

    一般而言，DEH控制系統由兩大部分組成，即控制器部分和執行器部分。控制器部分實現控制系統的控制策略；執行器部分執行控制器的控制結果，定位調節機構。
    汽輪機的液壓調節系統的控制器，包括調速器、同步器、中間放大滑閥等部件，實現轉速測量，偏差放大等控制策略，為液壓控制器。油動機為執行器，接受控制器來的液壓信號，定位調節閥位。
    汽輪機電液調節系統的控制器，為數字式DEH控制器，實現轉速調節、負荷控制、新汽壓力控制及機爐協調控制等多種控制策略，其輸出的總閥位信號為電氣量信號，該信號經過電液放大，驅動液壓執行器，即油動機；也可直接驅動電液執行器，即電液伺服油動機，簡稱電液油動機，以定位相應的調節閥位。
    DEH控制器與電液油動機配合，組成純電調。
    或者，DEH控制器通過電液放大器控制油動機，組成純電調。
    作為執行器，油動機應能接受三種信號的控制，即正常控制、快關控制和遮斷控制。
    對液壓油動機而言，正常控制時，由調節器來的液壓信號通過中間放大滑閥，控制油動機，定位調節閥；當發生甩負荷時，OPC系統控制超速限制滑閥或微分器，通過中間放大滑閥暫時快關各調門油動機，以限制機組轉速動態飛升；當發生遮斷時，保安系統通過危急遮斷器滑閥、中間放大滑閥，永久性地關閉各油動機，使機組停機。由此可見，液壓調節系統的油動機具有正常控制，快關控制和遮斷控制三個接口。不過，液壓油動機的三個接口是通過中間放大滑閥聯系在一起的，這使調節系統中各油動機只能按固定的關系協調動作，如果調節系統中只有一個油動機，便不存在多個油動機協調動作問題。
    電液調節系統中的油動機，也存在上述三個接口，當采用一個電液伺服閥控制多個油動機時，各油動機之間的關系就像液調系統一樣，是固定的；當采用每個油動機由一個電液伺服閥控制時，三個接口便被賦予每個油動機，使每個油動機都能獨立完成正常控制，快關和遮斷三種任務，各個油動機的運行關系由閥門管理軟件（軟凸輪）進行協調，可按固定模式和可變模式控制汽輪機進汽。在后一種方式，油動機與電液伺服閥，快關電磁閥和遮斷轉換閥為一體化設計，稱為電液伺服油動機，簡稱電液油動機。
    高壓抗燃油純電調采用的油動機，是典型的電液油動機，每個油動機可單獨執行正常控制，快關和遮斷動作；可接受閥門管理軟件控制，實現固定模式和可變模式的配汽管理。本文推薦的低壓透平油電液油動機，參照高壓抗燃油電液油動機的控制模式進行設計，使低壓透平油純電調能執行與高壓抗燃油純電調相同的功能。低壓透平油純電調也可參照液調系統的設計模式，采用一個電液伺服閥控制多個油動機，構成簡易純電調。簡易純電調能實現純電調的基本控制功能，具有很好的實用價值。

三、關于閥門管理
 
    這里，要專門討論一下閥門管理的實用價值。閥門管理是西屋公司推出的一種控制功能，是一種用于高壓抗燃油純電調的軟件配汽方式，通常是指高壓進汽節流調節和噴咀調節兩種方式的相互無擾轉換，可以兼顧啟動快速性和部分負荷經濟性的要求。要實現這種功能，要求每個調節閥采用一個油動機驅動，由閥門管理軟件協調各油動機的工作。下面將通過機組常見的幾種運行方式，探討閥門管理的實用價值。

1） 定壓運行，帶基本負荷
    在這種運行方式下，調節閥接近全開，節流調節和噴咀調節區別不大。

2） 滑壓運行，調峰
    在這種運行方式下，調節閥也接近全開，節流調節和噴咀調節也區別不大。

3） 定壓運行，調峰
    在這種運行方式下，靠改變閥門開度來調整負荷，噴咀調節比節流調節經濟性好，采用閥門管理是有意義的。但是，這是一種不常用的運行方式。按混合調節方式設計的凸輪配汽機構能適應這種運行方式。
    汽輪機常用的凸輪配汽機構，既不是純粹的節流調節，也不是純粹的噴咀調節，而是一種混合調節方式，通常是這樣設計的：在低負荷階段，1#、2#調門同時開啟；1#、2#調門為對稱布置，可以保證高壓缸進汽部份受熱均勻，保證啟動過程的快速性；1#、2#調門接近開足時，開3#調門；3#調門接近開足時，開4#調門。這種設計可以看作低負荷時為節流調節，高負荷時為噴咀調節，因而兼顧了啟動快速性和部分負荷經濟性的要求。因此，凸輪配汽機構的特性已是一種較好的閥門管理模式，當機組調峰運行時，通常是3#和4#調門參與調節，已是處于高效的噴咀調節區。并且可以采用變壓運行方式，使調門定位在節流損失最少的位置，例如1#、2#調門全開，3#調門全開或4#調門全開等位置。采用這種運行方式，便可在不用閥門管理的前提下達到最好的部分負荷經濟性，使閥門管理變得不必要。這樣，在中小型機組的DEH改造中，便可不必為追求閥門管理而采用每閥一個油動機的控制模式，不必取消凸輪配汽機構和原有的油動機，更不必采用高壓抗燃油純電調。這將使中小型機組的DEH改造大為簡化，節約大量的改造資金。在中小型機組DEH改造中，閥門管理功能是不必要的。

    凸輪配汽（杠桿配汽）與閥門管理配汽的比較
    凸輪（杠桿）配汽 閥門管理配汽
    低負荷區 二閥對稱進汽 四閥全周進汽
    高負荷區 3#、4#依次開啟 3#、4#閥依次開啟
    評價：低負荷區，二閥對稱進汽與四閥全周進汽的均熱效果基本相同，且節流損        失較全周進汽小。
     高負荷區，兩種配汽方式相同。

四、低壓透平油純電調的特點

低壓透平油純電調，具有如下特點：
 ■ 系統簡潔，制造工藝符合汽輪機廠的設備條件，制造成本低。
 ■ 老機組改造時，可以利用機組原有的油動機和液壓油源。
 ■ 液壓系統易損件少，壽命長，運行維護費用低。
 ■ 采用常規的透平油液壓油源，不需另配外置式油源站。常規透平油油源主油泵由汽輪機主軸驅動，其可靠性高于外置式油源站。
 ■ 采用MOOG公司新近推出的DDV型電液伺服閥，控制精度高，抗污染能力強。
 ■ 由DDV閥構成的電液放大器和電液油動機，定位精確、靈敏度高，可靠性好，抗污染能力優于高壓抗燃油電液油動機。
 ■ 不用抗燃油，環保特性好。

五、100MW汽輪機低壓透平油純電調（優化控制實例）

    100MW汽輪機，只有一個油動機，不考慮配備閥門管理功能。只要采取下列改造措施，便可構成低壓透平油純電調。本方案的設計原則可推廣到200MW、50MW、25MW等多種機型。

 ■ 保留配汽杠桿，凸輪配汽機構。
 ■ 將油動機改造為電液油動機。
 ■ 拆去調速器，調速器滑閥，微分器等部套。
 ■ 增設DEH控制器。
 ■ 增設由電磁閥構成的遮斷，掛閘，開主汽門和噴油試驗模塊，可以實現全面遠方操作，達到高壓抗燃油純電調的自動化水平。

電液油動機原理如圖1，其構成要點如下：
 ■ 機組原配油動機，拆去反饋滑閥，反饋杠桿，保留油動機滑閥和油動機活塞。
 ■ 增設DDV閥，作為正常控制接口。
 ■ DDV閥壓力油進口增設過濾器，精度25μ-100μ
 ■ 增設可調節流閥，用以調整油動機滑閥0位。該節流閥應這樣設置，使DDV閥失電時，油動機能自動關閉。可調節流閥的位置應能鎖定。
 ■ 活塞桿上增設雙冗余LVDT，作為反饋定位作用。
 ■ 增設卸荷閥，作為快關和遮斷控制接口。
 ■ DDV閥，可調節流閥和卸荷閥做成一個液壓集成塊，安裝在前箱側面適當位置。
 ■ DDV閥由DEH控制器中的伺服板控制，接受總閥位信號，改變油動機位置，直到與LVDT反饋信號平衡為止。
 ■ 若有多個油動機，可共用一個濾油器。

 DDV閥具有如下特點：
 ■ 采用高能永磁直線力馬達，自帶功放，具有強大的驅動力。
 ■ 取消了噴咀擋板式前置液壓放大器，解決了由此引起的伺服閥卡澀問題，抗污染能力大大提高。
 ■ 具有高分辨率、低滯環，具有很高的控制精度。
 ■ 動態特性與供油壓力無關，能適應任何壓力的電液控制系統。

    電液油動機具有很高的靈敏度，其值高于原油動機的最高靈敏度，并且在全行程范圍內靈敏度的數值相同。
    本方案適用于哈汽，東汽和北重型汽輪機。建議每個油動機由一個DDV閥控制。
    電液油動機為和利時專利產品，專利號：ZL 00 2 54529.2 見附表

六、125MW汽輪機低壓透平油純電調（簡易控制實例）

    125MW汽輪機為中間再熱式，具有2個高壓油動機和2個中壓油動機，其中每個高壓油動控制2個高壓調節閥，共計2個高壓油動機控制4個高壓調節閥，中壓油動機則為每個油動機控制1個中壓調節閥。4個油動機均接受二次脈動油壓控制。二次脈動油路為變油壓系統，每個油動機均可調整其始開油壓和開足油壓，以協調各油動機的運動關系。

125MW低壓透平油純電調，采用一個DDV閥控制四個油動機的控制方式，不考慮配備閥門管理功能，改造要點如下：
 ■ 完整保留機組原有的液壓系統，各油動機的運動關系由二次脈動油壓Pm2來維系。
 ■ 在二次脈動油路上外接一個DDV閥，DDV閥工作在排油方式，與原液壓放大器的碟閥排油口并聯。
 ■ 原配啟動閥完成掛閘、開主汽門后，搖到最高位，使Pm2控制油口完全關閉。
 ■ 同步器搖到最高位，使液壓放大器的碟閥排油口在所有的工況中均處于關閥狀態。
 ■ DDV閥接受DEH控制器總閥信號，改變二次脈動油壓Pm2，以控制油動機，完成從沖轉到帶滿負荷的全行程控制。Pm2油路上接有壓力傳感器，用以構成Pm2反饋，以獲得良好的靜態和動態特性。
 ■ 甩負荷快關功能仍由超速限制滑閥執行，OPC控制策略包含在DEH控制器中。
 ■ 遮斷控制仍由原液壓系統的遮斷控制回路執行。
 ■ DEH故障時，只需降低同步器定值，系統便可回到液調方式運行，配上和利時開發的專利產品同步器馬達控制器，（專利號：ZL 99 2 10575.7 見附表）仍可實現負荷閉環控制，繼續執行電調功能。
 ■ 若啟動升速過程中發生DEH故障，可打閘停機，然后用啟動閥重新啟動。
 ■ 在二次脈動油路上設置的壓力傳感器，通過伺服板閉環，組成Pm2反饋，可以改善系統的靜態和動態特性，可以消除油源壓力波動新形成的寄生反饋，以及由此引發的系統振蕩。
 ■ 配備DEH控制器，完成所需的控制策略運算，給出總閥位信號。
 ■ DDV閥及其所需的附屬設備，作成一個集成塊，安裝在前箱在側適當位置，由支架固定。

    本方案為簡易型純電調，適用于上汽機型，已在多臺125MW機組得到應用。
    電液放大器為和利時專利產品，專利號：ZL 00 2 33849.1，見附表

七、保安系統的處理

    汽輪機電調改造的主要目的是克服原液壓調節系統存在的缺陷，完善控制策略，提高控制系統的自動化水平，為實現協調控制（CCS）和自動發電控制（AGC）創造條件。這個目的在調節系統的改造中已經實現了。機組的液壓保護系統，性能良好，工作可靠，操作的機會較少，改造的必要性不大。在中小型機組進行簡易型DEH改造時，保安系統可不進入改造，以減少改造工作量，節省費用，但系統操作自動化水平較低。在優化的改造方案中引用了高壓抗燃油系統的設計思想，將機組的保安系統的改造列入改造范圍，全面提高自動化水平。經過這樣改造的機組，其功能配置和自動化水平可以達到高壓抗燃油純電調的水平。

八、DEH控制器的基本功能

    DEH控制器的主要功能是轉速控制的負荷控制，其中，負荷控制具有閥控、功控和壓控三種方式，分別適合于爐跟機、機爐協調和機跟爐三種運行方式。
 此DEH控制器由北京和利時公司MACS分散控制系統構成，與DCS為一體化設計，與液壓系統的改造通盤考慮，適用于200MW和125MW及以下機組低壓透平油純電調控制。

8.1轉速控制

    轉速控制系統為大范圍無差閉環轉速反饋系統，可實現自動或手動方式，完成從沖轉到額定轉速的控制過程。
    自動時，按根據機組熱狀態預先設定的自動升速曲線完成升速過程；手動時，由操作員設定目標轉速和升速率，控制機組升速。通過臨界轉速區時，升速率自動加到最大。
    設有自動同期接口，可接受自動同期裝置控制，自動完成并網操作；也可在自動周期裝置指導下，由操作員控制并網。并網后自動進入閥控狀態，并自動帶3%初負荷。

8.2負荷控制

1) 閥控方式
    機組并網后，自動進入閥控方式。本方式為負荷開環控制方式，具有一次調頻能力，適合于爐跟機運行方式。

2）功控方式
    為負荷閉環控制方式，具有一次調頻能力，適合于機爐協調控制運行方式。

3）壓控方式
    由汽機調門控制機前壓力，由鍋爐控制機組負荷。機組負荷服從于調壓，不具備一次調頻能力。本方式適合于機跟爐運行方式。該方式適用于配直流爐、并在大電網中并列運行的機組。

8.3一次調頻功能
    根據華北電力集團公司“華北電網發電機組一次調頻運行管理辦法”的規定，并網運行的機組必須參與一次調頻。該項規定正在向全國推廣。根據上述文件的規定，和利時設計的DEH，在閥控、功控和壓控方式均具有一次調頻能力，不調頻死區設置在0-2r/min范圍內。在任何情況下，機組均不能退出一次調頻。

8.4超速限制與附加超速保護
    為確保甩負荷控制的快速性，超速限制和附加超速保護控制采用繼電器回路。
    甩負荷判據為油開關跳閘信號和103%n0信號。
    當發生甩負荷時，油開關跳閘信號通過繼電回路控制超速限制滑閥或OPC電磁閥，快關各調門以限制轉速飛升，同時總閥位信號置0。當超速高峰過去后（約2秒），上述信號復位，系統進入轉速控制方式，使機組維持3000r/min的運行。
    當機組轉速超過103%n0時，給出快關信號，通過超速限制滑閥或OPC電磁閥，快關各閥門，同時使總閥位信號置0。轉速低于103%n0時，恢復轉速控制。
    當機組轉速超過110%n0時，給出信號至ETS，使機組停機。當機組進行提升轉速試驗時，該值自動提高到113%n0，保護試驗過程防止超速。
    103%n0和110%n0信號來自測速板，響應時間小于10ms。

8.5其他功能
    包括新汽壓力降低自動減負荷，真空降低自動減負荷，閥門活動試驗，提升轉速試驗和來自協調控制的減負荷控制等功能，這些功能可按需設置。

九、DEH控制的構成

    DEH控制器由和利時公司標準的MACS分散控制系統構成，其中，除測速板和伺服板為DEH專用I/O板外，其余硬件和軟件與DCS通用，并與DCS一體化設計。一體化設計的含義，包括：

    ■ 硬件一體化   ■ 系統軟件一體化   ■ 控制策略一體化
    DEH的現場設備包括一臺現場控制站和一臺專用硬操盤，操作員站和工程師站與DCS共用。
    硬件配置如圖3，其中
    冗余主控板 1對
    測速板 3（三選二）
    伺服板 n（按電液伺服閥數量配置）
    開入板 4（共64路）
    開出板 2（共32路）
    模入板 2（共16路）
    模出板 1（共8路）

十、主要技術指標

 ■ 轉速控制范圍 40-3600r/min
 ■ 轉速控制精度 ±1r/min
 ■ 負荷控制范圍 0-115%
 ■ 負荷控制精度 ±1MW
 ■ 不等率 3-6%在線連續可調
 ■ 不調頻死區 0-2r/min出廠時已設定
 ■ 遲緩率 <0.06%
 ■ 甩負荷最高轉速飛升 <7%n0

十一、可靠性設計

 ■ 測速板采用三選二冗余。
 ■ LVDT采用雙冗余高選。
 ■ DEH控制器的可靠性設計由MACS系統可靠性設計規范保證。
 ■ 控制系統設計符合國際電工委員會（IEC）規定的安全設計原則，對可能發生的誤操作有防范措施，失去動力源時能安全停機。
 ■ 液壓系統的設計充分考慮了防火的要求。

十二、油源清潔度問題和油系統改造

    油源清潔度問題，直接影響到液壓系統的正常工作，是備受關注的安全性問題。透平油的污染問題，主要是油中帶水和顆粒污染，污染物來源與排煙風機系統的設計有密切關系。
    透平油潤滑/液壓系統，設有排煙風機系統，目的是將各軸承箱的油煙抽出，防止軸承箱內部過熱。軸承箱內部過熱會引起軸承標高變化，改變軸系的揚度曲線，嚴重時，會發生動靜部件摩擦，引發軸系振動。因此，如何正確發揮排煙系統的冷卻作用，控制軸承箱溫度變化，對機組安全運行是至關重要的。
    排煙風機設在主油箱上，通過回油管的空氣半管抽出各軸承箱的油煙。對各軸承箱而言，抽油煙的作用是通風冷卻，必須有進有出，形成一定的通風量，才能發揮冷卻效果。目前的排煙系統，沒有設計進風口，進風量被迫從軸承箱上的各種孔隙進入，特別是從油封間隙進入，這樣便帶來一系列問題：

 ■ 為獲得足夠的進風量，各軸承箱被抽到較高的負壓。
 ■ 軸承箱上的油封環正對著汽缸的汽封環，大量空氣從油封環間隙進入的同時，將大量蒸汽帶入，進入透平油中。
 ■ 蒸汽進入回油管空氣半管，凝結在管壁上，形成銹蝕。鐵銹不斷落入油中，形成污染。
 ■ 從各種孔隙進入軸承箱的空氣，將空氣中的粉塵同時帶入，久而久之便形成油泥。
    這些問題，都是由于排煙系統設計不合理造成的。解決的辦法也很簡單，只要在每個軸承上適當位置增設一個進風口，讓冷卻空氣主要從進風口進入，降低軸承箱內負壓，這樣便可減少從油封和各種孔隙等非正常通道進入的風量，相應減少了水蒸汽和粉塵的進入量，同時減少了回油半管銹蝕的產生。進風口的面積應為可調，以保證得到適當的冷卻風量，進風口應加空氣濾清器和空氣干燥劑，以防止空氣中的粉塵和濕氣進入。僅此措施，便可大大減少透平油的污染來源。
    在此基礎上，完善油凈化系統，經常性地清除油中的水份和顆粒，便可使透平油保持較好的清潔度水平。
 北京承天倍達過濾技術有限責任公司生產的FC系列過濾脫水裝置，采用各種特殊濾芯，能有效清除油中顆粒和水份，清潔度達到NAS6級，油中含水量可達到200PPM以下。
    北京透平新技術開發有限責任公司生產的TP系列離心式凈油機，采用瑞典ALFA LAVAL高速離心分離機，能有效地將油中水份和顆粒物分離出來。這種凈油機不需要濾芯，免除了更換濾芯和清洗芯等麻煩，運行維護較簡單，費用也低。
    上述產品可推薦作為油系統改造之用。
    油系統改造的目的是提高油系統清潔度，改造的目標是減少水份和顆粒物的進入，和清除已進入油中的水份和顆粒物，解決的辦法是：各軸承箱加裝合適的進風口，合理組織進風，減少水份和粉塵進入；增設高效凈油裝置，連續清除油中殘存的水份和顆粒物。
    低壓透平油純電調，清潔度適應能力與常規液壓系統相當，若能對油系統進行改造，提高清潔度水平，則效果更佳。
 中小型機組DEH改造，低壓透平油純電調具有經濟適用、可靠性好、環保性好的優點。

十三.結論

 1) 為適應中小型機組DEH改造，開發低壓透平油純電調具有重要意義。200MW及以下機組屬于中小機組范圍。
 2) 由于純電調控制系統的控制策略取決于計算機電子控制器，因此，除可變模式閥門管理外，低壓透平油純油調能實現高壓抗燃油純電調的全部功能。
 3) 實踐中，閥門管理特性與凸輪配汽機相當，凸輪配汽機構的作用完全可以代替軟件型可變模式閥門管理。
 4) 和利時公司推出的低壓透平油純電調，具有自動化水平高、經濟適用、可靠性好、環保性好的優點。
 5) 本文推薦的低壓透平油純電調，清潔度適應能力與常規液壓系統相當；若能對油系統進行改造，提高清潔度水平，則效果更佳。